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高考申論題 112年 [天文] 天文學

第 一 題

📖 題組:
關於星系與宇宙論,請回答下列問題:
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

現代宇宙論觀測得知,我們的宇宙年齡約為138億年,但又說可觀測宇宙半徑為465億光年,請問為何有此差距?(10分)

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看到此題,應立即聯想到「宇宙膨脹(Cosmological Expansion)」與「共動距離(Comoving Distance)」的核心概念。解題時須明確區分「光行時間(光旅行的時間)」與「當前物理距離(空間膨脹後的現有距離)」,並扼要說明空間本身的膨脹不受狹義相對論光速極限的限制。

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【破題】此差距的核心原因在於「宇宙空間本身的膨脹」。138 億年代表的是光子旅行的時間,而 465 億光年是指這些光子發射源在經歷宇宙長期的膨脹後,如今與我們之間的「當前物理距離(Proper Distance)」。 【論述】 一、靜態宇宙與動態宇宙的差異

小題 (二)

什麼是奧伯斯悖論(Olbers' Paradox)?什麼原因使得奧伯斯悖論不成立?(10分)

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面對奧伯斯悖論,首先應從「古典宇宙模型」的假設(無限大、無限老、靜態且均勻分佈)切入,點出在此前提下光通量積分會導致夜空無限亮的矛盾。接著,運用現代宇宙論(大霹靂理論)的核心概念——「宇宙年齡有限(光旅行距離受限)」與「宇宙膨脹(紅移導致光子能量降低)」來打破古典假設,解釋悖論為何不成立。

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【破題】奧伯斯悖論(Olbers' Paradox)探討了一個古典宇宙學的核心矛盾:「如果宇宙是無限且均勻的,為什麼夜空是黑暗的?」。此悖論的破解直接催生了現代大霹靂宇宙論。 【論述】 一、什麼是奧伯斯悖論?

小題 (三)

在活躍星系核中,有些的光譜能同時看到寬譜線與窄譜線,如西佛I型與寬譜線無線電波星系,有些的光譜只能看到窄譜線,如西佛II型與窄譜線無線電波星系,請問原因為何?(10分)

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考生看到此題應立刻聯想到「活躍星系核的統一模型 (Unified Model of AGN)」。解題關鍵在於說明 AGN 內部的物理結構(寬線區、窄線區、塵埃環),並利用「觀測視角(Viewing Angle)」的幾何遮蔽效應來解釋光譜特徵的差異。

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【破題】此現象可由「活躍星系核的統一模型 (Unified Model of AGN)」來完美解釋。寬譜線與窄譜線的觀測差異,主要取決於觀測者視角(Viewing Angle)與星系核內部塵埃環(Torus)的幾何遮蔽效應。 【論述】 一、活躍星系核(AGN)的內部物理結構

小題 (四)

天文學家已觀測到M87與銀河系中心的大質量黑洞剪影,請問天文學家是如何觀測到的?(5分)

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看到黑洞剪影觀測,應立即聯想到「事件視界望遠鏡(EHT)」與「特長基線干涉測量法(VLBI)」。答題需點出核心觀測技術(全球連線提高角解析度)、觀測波段(穿透塵埃的毫米波)以及後端龐大數據的影像重建過程。

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【破題】天文學家主要是透過「事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope, EHT)」計畫,利用特長基線干涉測量法來觀測 M87 與銀河系中心的大質量黑洞剪影。 【論述】 一、核心技術(VLBI):

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